Machine learning algorithms for spatial data. Case studies: Environmental pollution, natural hazards, renewable resources

This paper presents general problems and approaches for the spatial data analysis using machine learning algorithms. Machine learning is a very powerful approach to adaptive data analysis, modelling and visualisation. The key feature of the machine learning algorithms is that they learn from empirical data and can be used in cases when the modelled environmental phenomena are hidden, nonlinear, noisy and highly variable in space and in time. Most of the machines learning algorithms are universal and adaptive modelling tools developed to solve basic problems of learning from data: classification/pattern recognition, regression/mapping and probability density modelling. In the present report some of the widely used machine learning algorithms, namely artificial neural networks (ANN) of different architectures and Support Vector Machines (SVM), are adapted to the problems of the analysis and modelling of geo-spatial data. Machine learning algorithms have an important advantage over traditional models of spatial statistics when problems are considered in a high dimensional geo-feature spaces, when the dimension of space exceeds 5. Such features are usually generated, for example, from digital elevation models, remote sensing images, etc. An important extension of models concerns considering of real space constrains like geomorphology, networks, and other natural structures. Recent developments in semi-supervised learning can improve modelling of environmental phenomena taking into account on geo-manifolds. An important part of the study deals with the analysis of relevant variables and models' inputs. This problem is approached by using different feature selection/feature extraction nonlinear tools. To demonstrate the application of machine learning algorithms several interesting case studies are considered: digital soil mapping using SVM, automatic mapping of soil and water system pollution using ANN; natural hazards risk analysis (avalanches, landslides), assessments of renewable resources (wind fields) with SVM and ANN models, etc. The dimensionality of spaces considered varies from 2 to more than 30. Figures 1, 2, 3 demonstrate some results of the studies and their outputs. Finally, the results of environmental mapping are discussed and compared with traditional models of geostatistics.

Involvement of environmental mercury and lead in the etiology of neurodegenerative diseases.

The incidence of neurodegenerative disease like Parkinson's disease and Alzheimer's disease (AD) increases dramatically with age; only a small percentage is directly related to familial forms. The etiology of the most abundant, sporadic forms is complex and multifactorial, involving both genetic and environmental factors. Several environmental pollutants have been associated with neurodegenerative disorders. The present article focuses on results obtained in experimental neurotoxicology studies that indicate a potential pathogenic role of lead and mercury in the development of neurodegenerative diseases. Both heavy metals have been shown to interfere with a multitude of intracellular targets, thereby contributing to several pathogenic processes typical of neurodegenerative disorders, including mitochondrial dysfunction, oxidative stress, deregulation of protein turnover, and brain inflammation. Exposure to heavy metals early in development can precondition the brain for developing a neurodegenerative disease later in life. Alternatively, heavy metals can exert their adverse effects through acute neurotoxicity or through slow accumulation during prolonged periods of life. The pro-oxidant effects of heavy metals can exacerbate the age-related increase in oxidative stress that is related to the decline of the antioxidant defense systems. Brain inflammatory reactions also generate oxidative stress. Chronic inflammation can contribute to the formation of the senile plaques that are typical for AD. In accord with this view, nonsteroidal anti-inflammatory drugs and antioxidants suppress early pathogenic processes leading to Alzheimer's disease, thus decreasing the risk of developing the disease. The effects of lead and mercury were also tested in aggregating brain-cell cultures of fetal rat telencephalon, a three-dimensional brain-cell culture system. The continuous application for 10 to 50 days of non-cytotoxic concentrations of heavy metals resulted in their accumulation in brain cells and the occurrence of delayed toxic effects. When applied at non-toxic concentrations, methylmercury, the most common environmental form of mercury, becomes neurotoxic under pro-oxidant conditions. Furthermore, lead and mercury induce glial cell reactivity, a hallmark of brain inflammation. Both mercury and lead increase the expression of the amyloid precursor protein; mercury also stimulates the formation of insoluble beta-amyloid, which plays a crucial role in the pathogenesis of AD and causes oxidative stress and neurotoxicity in vitro. Taken together, a considerable body of evidence suggests that the heavy metals lead and mercury contribute to the etiology of neurodegenerative diseases and emphasizes the importance of taking preventive measures in this regard.

Espace public, médiations, reconnaissance : Eléments de reconstruction d'une théorie critique de la communication

Résumé en français Après un examen critique de la théorie des médias et de la culture développée par l'Ecole de Francfort, abordée ici principalement au travers des oeuvres de T.W. Adorno et de Jürgen Habeimas, ce travail en propose une reconstruction en s'inspirant de la théorie de la reconnaissance d'Axel Honneth. Envisagée sous un angle narratif, la communication publique est vue comme un processus engageant à la fois des relations de reconnaissance et leur négation sous la double forme de la réification et du mépris. La recherche développe une approche des médias sensible à ces tensions et conflits ainsi qu'aux luttes pour la reconnaissance qui travaillent la scène publique, y compris dans sa dimension esthétique. Title and abstract in english « Public sphere, mediations, recognition. Reconstruction elements of a critical theory of communication ». After a critical discussion of media and culture theory developped by the Frankfurt School presented here mainly through the works of T.W. Adorno and Jürgen Habermas, this research proposes to reconstruct it on the basis of the theory of recognition developed by Axel Honneth. Considered through the perspective of narrative, public communication in is seen as a process implying at the same time recognition relations and their negation through the double process of reification and disrespect. The research develops an approach of media which is attentive to those tensions and conflicts and to the struggles for recognition that forms public sphere, also in his aesthetic dimension.

Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

Ecologie industrielle de l'aluminium, flux de matières et d'énergie : réalités et enjeux du recyclage

Dans les dernières années du 20ème siècle, l'aluminium a fait l'objet de beaucoup de communications outrancières et divergentes cautionnées par des scientifiques et des organismes faisant autorité. En 1986, la société PECHINEY le décrète perpétuel tel le mouvement « L'aluminium est éternel. Il est recyclable indéfiniment sans que ses propriétés soient altérées », ce qui nous avait alors irrité. Peu de temps après, en 1990, une communication tout aussi outrancière et irritante d'une grande organisation environnementale, le World Wild Fund, décrète que « le recyclage de l'aluminium est la pire menace pour l'environnement. Il doit être abandonné ». C'est ensuite à partir de la fin des années 1990, l'explosion des publications relatives au développement durable, le bien mal nommé. Au développement, synonyme de croissance obligatoire, nous préférons société ou organisation humaine et à durable, mauvaise traduction de l'anglais « sustainable », nous préférons supportable : idéalement, nous aurions souhaité parler de société durable, mais, pour être compris de tous, nous nous sommes limités à parler dorénavant de développement supportable. Pour l'essentiel, ces publications reconnaissent les très graves défauts de la métallurgie extractive de l'aluminium à partir du minerai et aussi les mérites extraordinaires du recyclage de l'aluminium puisqu'il représente moins de 10% de la consommation d'énergie de la métallurgie extractive à partir du minerai (on verra que c'est aussi moins de 10% de la pollution et du capital). C'est précisément sur le recyclage que se fondent les campagnes de promotion de l'emballage boisson, en Suisse en particulier. Cependant, les données concernant le recyclage de l'aluminium publiées par l'industrie de l'aluminium reflètent seulement en partie ces mérites. Dans les années 1970, les taux de croissance de la production recyclée sont devenus plus élevés que ceux de la production électrolytique. Par contre, les taux de recyclage, établis à indicateur identique, sont unanimement tous médiocres comparativement à d'autres matériaux tels le cuivre et le fer. Composante de l'industrie de l'aluminium, le recyclage bénéficie d'une image favorable auprès du grand public, démontrant le succès des campagnes de communication. A l'inverse, à l'intérieur de l'industrie de l'aluminium, c'est une image dévalorisée. Les opinions émises par tous les acteurs, commerçants, techniciens, dirigeants, encore recueillies pendant ce travail, sont les suivantes : métier de chiffonnier, métier misérable, métier peu technique mais très difficile (un recycleur 15 d'aluminium n'a-t-il pas dit que son métier était un métier d'homme alors que celui du recycleur de cuivre était un jeu d'enfant). A notre avis ces opinions appartiennent à un passé révolu qu'elles retraduisent cependant fidèlement car le recyclage est aujourd'hui reconnu comme une contribution majeure au développement supportable de l'aluminium. C'est bien pour cette raison que, en 2000, l'industrie de l'aluminium mondiale a décidé d'abandonner le qualificatif « secondaire » jusque là utilisé pour désigner le métal recyclé. C'est en raison de toutes ces données discordantes et parfois contradictoires qu'a débuté ce travail encouragé par de nombreuses personnalités. Notre engagement a été incontestablement facilité par notre connaissance des savoirs indispensables (métallurgie, économie, statistiques) et surtout notre expérience acquise au cours d'une vie professionnelle menée à l'échelle mondiale dans (recherche et développement, production), pour (recherche, développement, marketing, stratégie) et autour (marketing, stratégie de produits connexes, les ferro-alliages, et concurrents, le fer) de l'industrie de l'aluminium. Notre objectif est de faire la vérité sur le recyclage de l'aluminium, un matériau qui a très largement contribué à faire le 20ème siècle, grâce à une revue critique embrassant tous les aspects de cette activité méconnue ; ainsi il n'y a pas d'histoire du recyclage de l'aluminium alors qu'il est plus que centenaire. Plus qu'une simple compilation, cette revue critique a été conduite comme une enquête scientifique, technique, économique, historique, socio-écologique faisant ressortir les faits principaux ayant marqué l'évolution du recyclage de l'aluminium. Elle conclut sur l'état réel du recyclage, qui se révèle globalement satisfaisant avec ses forces et ses faiblesses, et au-delà du recyclage sur l'adéquation de l'aluminium au développement supportable, adéquation largement insuffisante. C'est pourquoi, elle suggère les thèmes d'études intéressant tous ceux scientifiques, techniciens, historiens, économistes, juristes concernés par une industrie très représentative de notre monde en devenir, un monde où la place de l'aluminium dépendra de son aptitude à satisfaire les critères du développement supportable. ABSTRACT Owing to recycling, the aluminium industry's global energetic and environmental prints are much lower than its ore extractive metallurgy's ones. Likewise, recycling will allow the complete use of the expected avalanche of old scraps, consequently to the dramatic explosion of aluminium consumption since the 50's. The recycling state is characterized by: i) raw materials split in two groups :one, the new scrap, internal and prompt, proportional to semi-finished and finished products quantities, exhibits a fairly good and regular quality. The other, the old scrap, proportional to the finished products arrivïng at their end-of--life, about 22 years later on an average, exhibits a variable quality depending on the collect mode. ii) a poor recycling rate, near by that of steel. The aluminium industry generates too much new internal scrap and doesn't collect all the availa~e old scrap. About 50% of it is not recycled (when steel is recycling about 70% of the old scrap flow). iii) recycling techniques, all based on melting, are well handled in spite of aluminium atiiníty to oxygen and the practical impossibility to purify aluminium from any impurity. Sorting and first collect are critical issues before melting. iv) products and markets of recycled aluminium :New scraps have still been recycled in the production lines from where there are coming (closed loop). Old scraps, mainly those mixed, have been first recycled in different production lines (open loop) :steel deoxidation products followed during the 30's, with the development of the foundry alloys, by foundry pieces of which the main market is the automotive industry. During the 80's, the commercial development of the beverage can in North America has permitted the first old scrap recycling closed loop which is developing. v) an economy with low and erratic margins because the electrolytic aluminium quotation fixes scrap purchasing price and recycled aluminium selling price. vi) an industrial organisation historically based on the scrap group and the loop mode. New scrap is recycled either by the transformation industry itself or by the recycling industry, the remelter, old scrap by the refiner, the other component of the recycling industry. The big companies, the "majors" are often involved in the closed loop recycling and very seldom in the open loop one. To-day, aluminium industry's global energetic and environmental prints are too unbeara~ e and the sustainaЫe development criteria are not fully met. Critical issues for the aluminium industry are to better produce, to better consume and to better recycle in order to become a real sustainaЫe development industry. Specific issues to recycling are a very efficient recycling industry, a "sustainaЫe development" economy, a complete old scrap collect favouring the closed loop. Also, indirectly connected to the recycling, are a very efficient transformation industry generating much less new scrap and a finished products industry delivering only products fulfilling sustainaЫe development criteria.